Ciclo do ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs)

Ciclo do ácido tricarboxílico foi descoberto pela primeira vez pelo bioquímico inglês G. Krebs. Ele foi o primeiro a postular o significado deste ciclo para a combustão completa do piruvato, cuja principal fonte é a conversão glicolítica carboidratos. Mais tarde foi demonstrado que o ciclo de tricarboxílicos ácidosé o centro para onde convergem quase todas as vias metabólicas. Por isso, ciclo de Krebs- caminho final comum oxidação acetil grupos (na forma de acetil-CoA), nos quais é convertido no processo catabolismo a maioria dos orgânicos moléculas, desempenhando o papel de "celular combustível»: carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos.

Formado como resultado da oxidação descarboxilação piruvato em mitocôndria acetil-CoA entra ciclo de Krebs. Este ciclo ocorre na matriz mitocôndria e é composto por oito reações sucessivas(Fig. 10.9). O ciclo começa com a adição de acetil-CoA ao oxaloacetato e a formação Ácido Cítrico (citrato). Então ácido de limão(composto de seis carbonos) por uma série desidrogenação(Levando embora hidrogênio) e dois descarboxilações(clivagem de CO 2) perde dois carbonos átomo e novamente em ciclo de Krebs transforma-se em oxaloacetato (composto de quatro carbonos), i.e. como resultado de uma volta completa do ciclo um molécula acetil-CoA queima em CO 2 e H 2 O, e molécula oxaloacetato é regenerado. Considere todos os oito reações sucessivas(estágios) ciclo de Krebs.

Arroz. 10.9.Ciclo do ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs).

Primeiro reação catalizado enzima cit-rato-sintase, enquanto acetil o grupo acetil-CoA se condensa com oxaloacetato, resultando na formação de ácido de limão:

Aparentemente, neste reações associado com enzima citril-CoA. Em seguida, este último hidrolisa-se espontânea e irreversivelmente para formar citrato e HS-KoA.

Como resultado do segundo reações formado ácido de limão sofre desidratação com a formação de cis-aconíticos ácidos, que, adicionando molécula agua, entra em ácido isocítrico(isocitrato). Catalisa esses reversíveis reações hidratação-desidratação enzima aconitato hidratase (aconitase). Como resultado, há um movimento mútuo de H e OH em molécula citrato:

Terceiro reação parece limitar a velocidade ciclo de Krebs. ácido isocítrico desidrogenado na presença de iso-citrato desidrogenase dependente de NAD.

Durante a isocitrato desidrogenase reações ácido isocítrico simultaneamente descarboxilados. A isocitrato desidrogenase dependente de NAD é alostérica enzima, que como um específico ativador precisava ADP. Além do mais, enzima para expressar o seu atividade precisa de íons Mg2+ ou Mn2+.

Durante a quarta reações descarboxilação oxidativa de α-cetoglutárico ácidos com a formação de um composto de alta energia succinil-CoA. O mecanismo desta reações semelhante a isso reações oxidativo descarboxilação piruvato em acetil-CoA, o complexo α-cetoglutarato desidrogenase se assemelha ao complexo piruvato desidrogenase em sua estrutura. Tanto em um como no outro caso, reações participe 5 coenzimas: TPP, amida ácido lipoico, HS-KoA, FAD e NAD+.

Quinto reação catalizado enzima succinil-CoA-sintetase. Durante este reações succinil-CoA com a participação de GTP e fosfato inorgânico torna-se em ácido succínico (succinato). Ao mesmo tempo, a formação de uma ligação fosfato de alta energia do GTP ocorre devido à ligação tioéter de alta energia do succinil-CoA:

Como resultado, o sexto reações succinato desidratado em ácido fumárico. Oxidação succinato catalizado succinato desidrogenase, dentro molécula que desde proteína firmemente (covalentemente) ligado coenzima MANIA. Por sua vez succinato desidrogenase fortemente associado com a mitocôndria interna membrana:

sétimo reação realizado sob a influência enzima fumarato hidratase ( fumarases). Formado ao mesmo tempo ácido fumárico hidratado, produto reaçõesé um ácido de maçã(malato). Deve-se notar que a fumarato hidratase tem estereoespecificidade(ver capítulo 4) – durante reações L-maçã é formada ácido:

Finalmente, durante o oitavo reações ciclo do ácido tricarboxílico sob a influência de mitocondrial NAD-dependente malato desidrogenase indo oxidação L-malato em oxaloacetato:

Como pode ser visto, em uma volta do ciclo, composto por oito reações, completo oxidação("combustão") de um moléculas acetil-CoA. Para a operação contínua do ciclo, é necessário um fornecimento constante de acetil-CoA ao sistema, e coenzimas(NAD + e FAD), que passaram para o estado reduzido, devem ser oxidados repetidamente. Isso é oxidação realizado no sistema transportador elétrons dentro cadeia respiratória(dentro cadeia respiratória enzimas) localizado em membrana mitocôndria. O FADH 2 resultante está fortemente associado ao SDH, por isso transmite átomos hidrogênio via KoQ. lançado como resultado oxidação A energia do acetil-CoA está amplamente concentrada em ligações fosfato macroérgicas ATP. De 4 vapor átomos hidrogênio 3 casais transferir NADH para o sistema de transporte elétrons; enquanto contava com cada casal no sistema biológico oxidação formado 3 moléculas ATP(durante conjugado ), e no total, portanto, 9 moléculas ATP(ver capítulo 9). Um par átomos da succinato desidrogenase-FADH 2 entra no sistema de transporte elétrons através do KoQ, resultando em apenas 2 moléculas ATP. No decorrer ciclo de Krebs um também é sintetizado molécula GTP (substrato fosforilação), o que equivale a um molécula ATP. Então, ao oxidação 1 moléculas acetil-CoA em ciclo de Krebs e sistema fosforilação oxidativa pode formar 12 moléculas ATP.

Se calcularmos o efeito energético total da clivagem glicolítica glicose e subsequente oxidação dois emergentes moléculas piruvato em CO 2 e H 2 O, então será muito maior.

Como observado, um molécula NADH (3 moléculas ATP) é formado durante a oxidação descarboxilação piruvato em acetil-CoA. Ao dividir um moléculas glicose formado 2 moléculas piruvato, e oxidação até 2 moléculas acetil-CoA e 2 voltas subsequentes ciclo do ácido tricarboxílico sintetizado 30 moléculas ATP(conseqüentemente, oxidação moléculas piruvato para CO 2 e H 2 O dá 15 moléculas ATP). A este número devem ser adicionados 2 moléculas ATP formado durante aeróbica glicolise, e 6 moléculas ATP, sintetizado por oxidação 2 moléculas NADH extramitocondrial, que são formados durante oxidação 2 moléculas gliceraldeído-3-fosfato na desidrogenase reações glicolise. Portanto, ao se dividir em tecidos 1 moléculas glicose de acordo com a equação C 6 H 12 O 6 + 6O 2 -> 6CO 2 + 6H 2 O, 38 é sintetizado moléculas ATP. Sem dúvida, em termos de energia, a divisão completa glicoseé um processo mais eficiente que o anaeróbico glicolise.

Vale ressaltar que o 2 moléculas NADH no futuro com oxidação pode dar não 6 moléculas ATP, mas apenas 4. O fato é que eles mesmos moléculas NADH extramitocondrial não são capazes de penetrar membrana dentro mitocôndria. No entanto, eles dão elétrons podem ser incluídos na cadeia mitocondrial de oxidação usando o chamado mecanismo de transporte de fosfato de glicerol (Fig. 10.10). O NADH citoplasmático reage primeiro com o fosfato de diidroxiacetona citoplasmático para formar glicerol-3-fosfato. Reação catálise

Arroz. 10.10. Mecanismo de transporte do fosfato de glicerol. Explicação no texto.

é controlado pela glicerol-3-fosfato desidrogenase citoplasmática dependente de NAD:

Fosfato de dihidroxiacetona + NADH + H +<=>Glicerol-3-fosfato + NAD +.

O glicerol-3-fosfato resultante penetra facilmente através da mitocôndria membrana. Dentro mitocôndria outra (mitocondrial) glicerol-3-fosfato desidrogenase (flavina enzima) oxida o glicerol-3-fosfato novamente em diidroxiacetona fosfato:

Glicerol-3-fosfato + FAD<=>Fosfato de dihidroxiacetona + FADH 2.

restaurado flavoproteína(enzima-FADH 2) introduz ao nível de KoQ adquirido por ele elétrons na cadeia biológica oxidação e associado a ele fosforilação oxidativa, e o fosfato de diidroxiacetona sai do mitocôndria dentro citoplasma e pode novamente interagir com NADH + H + citoplasmático. Por isso, par elétrons(de um moléculas NADH citoplasmático + H +), introduzido em cadeia respiratória usando um mecanismo de transporte de fosfato de glicerol, fornece não 3, mas 2 ATP.

Arroz. 10.11. Sistema de transporte malato-aspartato para a transferência de equivalentes redutores do NADH citosólico para a matriz mitocondrial. Explicação no texto.

Posteriormente, foi demonstrado que esse mecanismo de transporte é usado apenas nos músculos esqueléticos e no cérebro para transferir equivalentes reduzidos de NADH + H + citosólico para mitocôndria.

NO células fígado, rins e coração, opera um sistema de transporte mais complexo de malato-como-partato. A operação de tal mecanismo de transporte torna-se possível devido à presença malato desidrogenase e aspartato aminotransferases tanto no citosol como no mitocôndria.

Constatou-se que a partir de NADH citosólico + H + equivalentes reduzidos, primeiro com a participação enzima malato desidrogenase(Fig. 10.11) são transferidos para oxaloacetato citosólico. Como resultado, forma-se malato, que, com a ajuda de um sistema que transporta ácidos dicarboxílicos, passa pelo interior membrana mitocôndria na matriz. Aqui, o malato é oxidado a oxaloacetato, e a matriz NAD + é reduzida a NADH + H + , que agora pode transferir sua elétrons dentro cadeia respiratória enzimas, localizado no interior membrana mitocôndria. Por sua vez, o oxaloacetato resultante na presença de glutamato e enzima ASAT entra em reação transaminação. O aspartato e o α-cetoglutarato resultantes, com a ajuda de sistemas de transporte especiais, são capazes de passar membrana mitocôndria.

O transporte no citosol regenera o oxaloacetato, que desencadeia o próximo ciclo. Em geral, o processo inclui facilmente reversíveis reações, ocorre sem consumo de energia, sua "força motriz" é uma constante recuperação NAD + no citosol pelo gliceraldeído-3-fosfato, que é formado durante catabolismo glicose.

Então, se o mecanismo malato-aspartato funciona, então, como resultado da completa oxidação 1 moléculas glicose pode formar não 36, mas 38 moléculas ATP(Tabela 10.1).

Na tabela. 10.1 são dados reações, em que a formação de ligações fosfato de alta energia ocorre durante catabolismo glicose, indicando a eficiência do processo em condições aeróbicas e anaeróbicas

Ministério da Educação da Federação Russa

Universidade Técnica do Estado de Samara

Departamento de Química Orgânica

Resumo sobre o tema:

"O CICLO DOS ÁCIDOS TRICABÓXICOS (CICLO DE KREBS)"

Preenchido pelo aluno: III - NTF - 11

Eroshkina N.V.

Verificado.

Os processos de fermentação anaeróbica serviram como a principal fonte de energia para todos os seres vivos naqueles dias em que não havia oxigênio na atmosfera da Terra. O seu aparecimento abriu fundamentalmente novas possibilidades de obtenção de energia. O oxigênio é um bom agente oxidante e, quando substâncias orgânicas são oxidadas, é liberada dez vezes mais energia do que durante a fermentação. Assim, durante a oxidação da glicose C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2, 686 kcal por mol são liberados, enquanto na reação de fermentação lática apenas 47 kcal por mol.

Naturalmente, as células começaram a aproveitar as oportunidades que se abriram. A síntese de ATP sob condições aeróbicas é muito mais eficiente que a síntese anaeróbica: se 2 moléculas de ATP são formadas durante a utilização de 1 molécula de glicose durante os processos de fermentação, durante a fosforilação oxidativa - cerca de 30 (de acordo com dados antigos - 38). Falaremos mais sobre balanço de energia na Lição 12.

Várias substâncias orgânicas sofrem transformações oxidativas - metabólitos intermediários do metabolismo de aminoácidos, açúcares, ácidos graxos, etc. Seria ilógico criar para cada uma delas sua própria via metabólica. É muito mais conveniente oxidar primeiro todas essas substâncias com um agente oxidante unificado e, em seguida, oxidar a forma reduzida resultante de tal “agente oxidante universal” com oxigênio. O dinucleotídeo de nicotinamida adenina, NAD, é usado como esse intermediário redox universal na célula; já falamos sobre esse composto na lição 10. Conforme indicado na lição 10, essa substância pode existir em duas formas: NAD+ oxidado e NAD∙H reduzido. A transformação da primeira forma na segunda requer o fornecimento de dois elétrons e um íon H +.

Sistema desempenha o papel de uma lançadeira redox que transfere elétrons de várias substâncias orgânicas para o oxigênio: no primeiro estágio, NAD + leva elétrons de substâncias orgânicas, oxidando-os eventualmente em CO 2 e H 2 O (claro, não em um estágio, mas através de inúmeras conexões intermediárias); no segundo estágio, o oxigênio oxida o NAD∙H formado durante o primeiro estágio e o devolve ao estado oxidado.

Assim, na forma mais geral, o conjunto de reações de decomposição de várias substâncias em condições aeróbicas (ou seja, na presença de oxigênio) pode ser representado da seguinte forma:

1)	compostos orgânicos +
2)

As reações do primeiro estágio ocorrem no citoplasma ou nas mitocôndrias, enquanto as reações do segundo estágio ocorrem apenas nas mitocôndrias. Nesta lição, consideraremos apenas as reações do primeiro grupo, as reações do segundo grupo serão estudadas na 12ª lição.

Existe outra coenzima na célula - FAD (flavina adenina dinucleotídeo) - que também serve como transporte redox, mas é usada em menos reações que o NAD; é sintetizado a partir da vitamina B 2 - riboflavina.

Vejamos vias metabólicas específicas - a conversão oxidativa de glicose e ácidos graxos. A glicólise aeróbica começa com as mesmas reações da glicólise anaeróbica que já consideramos (ver lição 10). No entanto, as etapas finais do processo prosseguirão de forma diferente. Ao realizar a glicólise anaeróbica, a célula enfrentou um problema: o que fazer com o NAD∙H reduzido, que é formado durante a reação da gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase? Se não for oxidado de volta a NAD +, o processo será interrompido rapidamente, portanto, na glicólise anaeróbica, a última reação - lactato desidrogenase - serviu apenas para retornar essa coenzima à sua forma original. Em condições aeróbicas, não há esse problema. Pelo contrário, no metabolismo do oxigênio o NAD∙H serve como a fonte mais valiosa de energia - um sistema transportador especial o leva do citosol para a mitocôndria, onde é oxidado e o ATP é sintetizado devido a essa energia.

Quando a glicólise ocorre em condições aeróbicas, o ácido pirúvico não será reduzido, mas será transportado para as mitocôndrias e oxidado. Primeiro, ele se transformará em um resíduo de ácido acético, acetil, ligado covalentemente a uma coenzima especial - a chamada coenzima A.

Essa reação irreversível é realizada pela enzima mitocondrial piruvato desidrogenase, que oxida o ácido pirúvico em acetil-coenzima A com a liberação de dióxido de carbono. Esta enzima contém várias coenzimas necessárias para o seu trabalho: pirofosfato de tiamina (formado a partir da vitamina B 1 - tiamina), ácido lipóico (às vezes é usado como suplemento dietético promotor da saúde) e FAD (já escrevemos sobre isso acima). É uma proteína muito complexa, composta por muitas subunidades, seu peso molecular é de vários milhões de daltons.

A coenzima A, à qual está ligado um resíduo acetil, é sintetizada a partir do ácido pantotênico, que também é uma vitamina (vitamina B 5). A acetil-coenzima A é um macroerg que é tão rico em energia quanto o ATP (ver lição 9).

A piruvato desidrogenase desempenha um papel importante na regulação do catabolismo aeróbico da glicose. Esta enzima é inibida por NAD∙H e acetil-CoA, seus produtos finais, de forma negativa. A regulação é realizada usando um mecanismo complexo, incluindo alosteria e modificação covalente dessa proteína. Esta enzima também é inibida por ácidos graxos. Os ácidos graxos são uma fonte de energia mais calórica e, além disso, são menos valiosos para a realização de processos sintéticos na célula, portanto, na presença de glicose (afinal, o piruvato é formado a partir dela) e ácidos graxos, é aconselhável oxidar os ácidos graxos primeiro.

Em seguida, a acetil-coenzima A será oxidada em CO 2 e H 2 O em um processo chamado ciclo de Krebs (em homenagem a G. Krebs, que o descreveu pela primeira vez em 1937).

O principal papel do ciclo de Krebs no metabolismo energético da célula é obter as coenzimas reduzidas NAD∙H e FAD∙H 2, que serão então oxidadas pelo oxigênio para sintetizar ATP a partir de ADP e fosfato (consideraremos este processo na lição 12). A restauração das coenzimas é alcançada pela oxidação completa do resíduo de ácido acético em CO 2 e H 2 O.

O ciclo começa com a transferência do resíduo de ácido acético do acetil-CoA para o ácido oxaloacético (em um ambiente neutro, este é o íon oxaloacetato), resultando na formação do ácido cítrico (mais precisamente, o íon citrato) e a coenzima A é liberada. Esta reação é catalisada pela enzima citrato sintase e é irreversível.

Os ácidos orgânicos envolvidos nesta etapa têm três grupos carboxílicos, às vezes todo o ciclo é chamado de “ciclo do ácido tricarboxílico”, mas esse nome é lamentável - já no estágio seguinte um grupo carboxílico é perdido. Portanto, o ciclo é muitas vezes referido como o "ciclo do ácido tricarboxílico e dicarboxílico".

Em ambos os casos, o dióxido de carbono é liberado, o agente oxidante NAD + é reduzido a NAD ∙ H, e o resíduo ácido encurtado é adicionado à coenzima A durante a reação. A. A reação da α-cetoglutarato desidrogenase é tão irreversível quanto a piruvato desidrogenase reação, e a enzima que a catalisa contém as mesmas coenzimas.

O produto da reação succinil-coenzima A é tão rico em energia quanto a acetil-coenzima A. Seria tolice dissipar essa energia em calor, e a célula não permite esse desperdício. Succinil-CoA não é simplesmente hidrolisado em ácido succínico (mais precisamente, íon succinato) e coenzima A, durante essa reação, o GTP é sintetizado a partir de GDP e fosfato, e o GTP é tão macroérgico quanto o ATP.

O ácido succínico sofre oxidação adicional. No entanto, seu agente oxidante não é o NAD + usual, mas outra coenzima - FAD. A natureza não usou essa coenzima em particular para envenenar a vida de estudantes e alunos que estudam o ciclo de Krebs. O fato é que no ácido succínico, um grupo muito inerte -CH 2 -CH 2 - é submetido à oxidação. Lembre-se do curso da química orgânica - os alcanos geralmente são ligeiramente reativos em comparação com álcoois e aldeídos, é muito mais difícil oxidá-los. Aqui, também, a célula é forçada a usar um oxidante de flavina mais forte, e não a nicotinamida usual. Ao mesmo tempo, o ácido succínico se transforma em ácido fumárico, a reação é acelerada pela enzima succinato desidrogenase.

A última reação do ciclo é a oxidação do ácido málico a ácido oxaloacético, o conhecido NAD+ serve como agente oxidante, e a reação é catalisada pela enzima malato desidrogenase.

O NAD∙H e o FAD∙H 2 resultantes são então oxidados nas mitocôndrias, fornecendo energia para a síntese de ATP. O ciclo de Krebs também produz 1 molécula de GTP, um composto rico em energia capaz de transferir um resíduo de fosfato para ADP e formar ATP. A molécula de ácido oxaloacético sai do ciclo sem alterações - serve como catalisador para a oxidação da acetil coenzima A e retorna ao seu estado original no final de cada volta do ciclo. As enzimas do ciclo de Krebs estão localizadas na matriz mitocondrial (exceto a succinato desidrogenase, que está localizada na membrana mitocondrial interna).

No ciclo de Krebs, várias enzimas são reguladas ao mesmo tempo. A isocitrato desidrogenase é inibida pelo NAD∙H, produto final do ciclo, e ativada pelo ADP, substância formada durante o gasto energético. A reversibilidade da reação da malato desidrogenase também desempenha um papel importante na regulação do ciclo. Em altas concentrações de NAD∙H, esta reação prossegue da direita para a esquerda, em direção à formação de malato. Como resultado, a concentração de oxaloacetato cai e a velocidade da reação da citrato sintase diminui. O malato resultante pode ser usado em outros processos metabólicos. A citrato sintase também é inibida alostericamente pelo ATP. A atividade da α-cetoglutarato desidrogenase também é regulada.

O ciclo de Krebs está envolvido nas transformações oxidativas não apenas da glicose, mas também dos ácidos graxos e aminoácidos. Após a penetração através da membrana externa, os ácidos graxos são primeiramente ativados no citoplasma pela adição da coenzima A, enquanto duas ligações macroérgicas de ATP são consumidas:

R–COOH + HS–KoA + ATP = R–CO–S–KoA + AMP + P–P.

O pirofosfato é imediatamente clivado pela enzima pirofosfatase, deslocando o equilíbrio da reação para a direita.

A acil-coenzima A é então transferida para a mitocôndria.

Nessas organelas, opera um sistema enzimático da chamada β-oxidação de ácidos graxos. O processo de β-oxidação prossegue em etapas. Em cada estágio, um fragmento de dois carbonos na forma de acetil coenzima A é clivado do ácido graxo, e NAD + é reduzido a NAD ∙ H e FAD em FAD ∙ H 2 .

Durante a primeira reação, o grupo -CH 2 -CH 2 -, localizado próximo ao átomo de carbono da carbonila, é oxidado. Como no caso da oxidação do succinato no ciclo de Krebs, o FAD serve como agente oxidante. Então (a segunda reação) a dupla ligação do composto insaturado formado é hidratada, enquanto o terceiro átomo de carbono se torna hidroxilado - um β-hidroxiácido é formado ligado à coenzima A. Durante a terceira reação, esse grupo álcool é oxidado a um ceto grupo, NAD + é usado como um agente oxidante. Finalmente, outra molécula de coenzima A reage com a β-cetoacil coenzima A resultante. Como resultado, a acetilcoenzima A é clivada e acil-CoA é encurtada em dois átomos de carbono. Agora o processo cíclico prosseguirá na segunda corrida, o resíduo de ácido graxo será encurtado por mais um acetil-CoA e assim por diante até que o ácido graxo seja completamente clivado. Das quatro reações de β-oxidação, apenas a primeira é irreversível, as demais são reversíveis, sua passagem da esquerda para a direita é assegurada pela saída constante de produtos finais.

No total, a β-oxidação da palmitoil-coenzima A prossegue de acordo com a equação:

Acetil-CoA então entra no ciclo de Krebs. NAD∙H e FAD∙H 2 são oxidados nas mitocôndrias, fornecendo energia para a síntese de ATP.

O catabolismo de aminoácidos também ocorre através do ciclo de Krebs. Diferentes aminoácidos entram no ciclo através de diferentes vias metabólicas, e sua consideração é muito complicada para este curso.

O ciclo de Krebs é usado pela célula não apenas para as necessidades energéticas, mas também para a síntese de várias substâncias de que necessita. É a via metabólica central nos processos catabólicos e anabólicos da célula.

O próprio Hans Krebs sugeriu teoricamente que as transformações dos ácidos di e tricarboxílicos ocorrem ciclicamente, e então fez uma série de experimentos nos quais mostrou as interconversões desses ácidos e sua capacidade de estimular a glicólise aeróbica. No entanto, fortes evidências para o fluxo dessa via metabólica dessa maneira, e não de outra, foram obtidas usando experimentos com marcação isotópica.

Imagine que você substituiu um isótopo natural comum por um radioativo em um determinado metabólito intermediário do ciclo de Krebs. Agora essa substância, por assim dizer, tem um rótulo radioativo, e isso permite rastrear seu futuro destino. Esse composto marcado pode ser adicionado ao extrato celular e depois de um tempo ver no que ele se transforma. Para fazer isso, você pode separar pequenas moléculas de macromoléculas (por exemplo, por precipitação das últimas) e separar sua mistura usando um método cromatográfico (consulte a lição 8). Então resta apenas determinar quais substâncias contêm radioatividade. Por exemplo, se você adicionar ácido cítrico marcado radioativamente ao extrato, muito em breve o rótulo será encontrado em ácidos cis-aconítico e isocítico e, após algum tempo, em α-cetoglutárico. Se for adicionado ácido α-cetoglutárico marcado, então o marcador passará primeiro para succinil-coenzima A e ácido succínico, depois para ácido fumárico. Assim, adicionando várias substâncias marcadas radioativamente e determinando por onde o marcador radioativo passou, é possível descobrir a sequência de reações em qualquer estágio da via metabólica.

A radioatividade pode ser determinada de várias maneiras. A maneira mais fácil é iluminar uma emulsão fotográfica, porque a própria radioatividade foi descoberta por A. Becquerel justamente por causa da capacidade da radiação radioativa de iluminar uma chapa fotográfica. Por exemplo, se separamos uma mistura de substâncias por cromatografia em camada fina e sabemos onde está localizado o ponto de uma determinada substância, podemos simplesmente anexar uma placa fotográfica ao nosso cromatograma. Em seguida, a seção da chapa fotográfica que esteve em contato com o ponto contendo radioatividade será iluminada. Resta apenas ver quais substâncias a emulsão acendeu perto dos pontos de quais substâncias, e pode-se dizer imediatamente que foi nessas substâncias que o rótulo radioativo passou.

Este método é chamado autorradiografia . Ele pode ser usado para estudar não apenas moléculas pequenas, mas também grandes - por exemplo, adicionando uridina marcada radioativamente a uma célula viva. Como dissemos na lição 7, os nucleotídeos de uridina fazem parte do RNA, então essa macromolécula logo será marcada radioativamente. Agora é possível rastrear a localização e o transporte de RNA na célula. Para fazer isso, você precisa fixar as células para que as macromoléculas precipitem e não flutuem durante os procedimentos posteriores, preenchê-las com emulsão fotográfica e depois de um tempo olhar pelo microscópio, onde aparecem as áreas iluminadas.

A autorradiografia permite observar diretamente o destino das moléculas em uma célula. No entanto, o método também tem uma desvantagem - fornece apenas uma característica qualitativa da presença de um marcador radioativo e não permite medi-lo quantitativamente. Para medições quantitativas precisas, um método diferente é usado. As partículas β emitidas por isótopos radioativos causam o brilho de substâncias especiais - cintiladores. A intensidade desse brilho pode ser medida com precisão usando um dispositivo especial - um contador de cintilação. Ao medir com precisão o brilho, podemos determinar com precisão a quantidade de isótopo radioativo. No entanto, o uso de um contador de cintilação mede apenas a quantidade total de isótopo radioativo na amostra. Se inundarmos uma suspensão de células com uma solução cintiladora, podemos determinar a quantidade total de um composto radioativo, mas não sua distribuição nas organelas. Para fazer isso, teremos que isolar organelas celulares individuais e medir a radioatividade nelas.

Normalmente, na pesquisa bioquímica, são usados ​​isótopos como trítio 3 H, carbono 14 C, fósforo 32 P e enxofre 35 S.

A maior parte da energia química do carbono é liberada em condições aeróbicas com a participação do oxigênio. O ciclo de Krebs também é chamado de ciclo do ácido cítrico, ou respiração celular. Muitos cientistas participaram da decifração das reações individuais desse processo: A. Szent-Gyorgyi, A. Lehninger, X. Krebs, que dá nome ao ciclo, S. E. Severin e outros.

Existe uma estreita correlação entre a digestão anaeróbica e aeróbica de carboidratos. Em primeiro lugar, é expresso na presença de ácido pirúvico, que completa a quebra anaeróbica dos carboidratos e inicia a respiração celular (o ciclo de Krebs). Ambas as fases são catalisadas pelas mesmas enzimas. A energia química é liberada durante a fosforilação e é reservada na forma de ATP macroergs. As mesmas coenzimas (NAD, NADP) e cátions participam de reações químicas. As diferenças são as seguintes: se a digestão anaeróbica de carboidratos é predominantemente localizada no hialoplasma, então as reações da respiração celular ocorrem principalmente nas mitocôndrias.

Sob certas condições, observa-se antagonismo entre as duas fases. Assim, na presença de oxigênio, a glicólise diminui acentuadamente (efeito Pasteur). Os produtos da glicólise podem inibir o metabolismo aeróbico dos carboidratos (o efeito Crabtree).

O ciclo de Krebs tem várias reações químicas, como resultado das quais os produtos da degradação dos carboidratos são oxidados em dióxido de carbono e água, e a energia química é acumulada em compostos macroérgicos. Durante a formação de um "transportador" - ácido oxaloacético (SOC). Subsequentemente, ocorre a condensação com o "transportador" do resíduo de ácido acético ativado. Há ácido tricarboxílico - cítrico. Durante as reações químicas, há um "turnover" do resíduo de ácido acético no ciclo. De cada molécula de ácido pirúvico, dezoito moléculas de trifosfato de adenosina são formadas. Ao final do ciclo, é liberado um "transportador", que reage com novas moléculas do resíduo de ácido acético ativado.

Ciclo de Krebs: reações

Se o produto final da digestão anaeróbica de carboidratos é o ácido lático, então, sob a influência da lactato desidrogenase, é oxidado em ácido pirúvico. Parte das moléculas de ácido pirúvico é utilizada para a síntese do "transportador" de BJC sob a influência da enzima piruvato carboxilase e na presença de íons Mg2+. Parte das moléculas de ácido pirúvico é a fonte da formação de "acetato ativo" - acetil coenzima A (acetil-CoA). A reação é realizada sob a influência da piruvato desidrogenase. Acetil-CoA contém que acumula cerca de 5-7% de energia. A principal massa de energia química é formada como resultado da oxidação do "acetato ativo".

Sob a influência da citrato sintetase, o próprio ciclo de Krebs começa a funcionar, o que leva à formação de ácido citrato. Este ácido, sob a influência da aconitato hidratase, desidrata e transforma-se em ácido cis-aconítico, que, após a adição de uma molécula de água, passa a ácido isocítrico. Um equilíbrio dinâmico é estabelecido entre os três ácidos tricarboxílicos.

O ácido isocítrico é oxidado a ácido oxalossuccínico, que é descarboxilado e convertido em ácido alfa-cetoglutárico. A reação é catalisada pela enzima isocitrato desidrogenase. O ácido alfa-cetoglutárico, sob a influência da enzima 2-oxo-(alfa-ceto)-glutarato desidrogenase, é descarboxilado, resultando na formação de succinil-CoA contendo uma ligação macroérgica.

Na etapa seguinte, a succinil-CoA, sob a ação da enzima succinil-CoA sintetase, transfere a ligação macroérgica para o GDP (ácido guanosina difosfato). GTP (ácido guanosina trifosfato), sob a influência da enzima GTP-adenilato quinase, dá uma ligação macroérgica ao AMP (ácido adenosina monofosfato). Ciclo de Krebs: fórmulas - GTP + AMP - GDP + ADP.

Sob a influência da enzima succinato desidrogenase (SDH) é oxidado a fumárico. A coenzima de SDH é dinucleotídeo de flavina adenina. O fumarato, sob a influência da enzima fumarato hidratase, é convertido em ácido málico, que por sua vez é oxidado, formando BOC. Na presença de acetil-CoA no sistema reagente, o BFA é novamente incluído no ciclo do ácido tricarboxílico.

Assim, até 38 moléculas de ATP são formadas a partir de uma molécula de glicose (duas - devido à glicólise anaeróbica, seis - como resultado da oxidação de duas moléculas NAD H + H +, que foram formadas durante a oxidação glicolítica, e 30 - devido à TCA). A eficiência do CTC é de 0,5. O restante da energia é dissipado como calor. No TCA, 16-33% do ácido lático é oxidado, o restante de sua massa é usado para ressíntese de glicogênio.

O ciclo do ácido tricarboxílico também é conhecido como ciclo de Krebs, pois a existência de tal ciclo foi proposta por Hans Krebs em 1937.
Por isso, 16 anos depois, foi agraciado com o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina. Então, a descoberta é muito significativa. Qual é o significado deste ciclo e por que é tão importante?

O que quer que se diga, você ainda tem que começar bem longe. Se você se comprometeu a ler este artigo, então, pelo menos por ouvir dizer, sabe que a principal fonte de energia para as células é a glicose. Está constantemente presente no sangue em uma concentração quase inalterada - para isso existem mecanismos especiais que armazenam ou liberam glicose.

Dentro de cada célula estão as mitocôndrias - organelas separadas ("órgãos" da célula) que processam a glicose para obter uma fonte de energia intracelular - ATP. O ATP (ácido adenosina trifosfórico) é versátil e muito conveniente de usar como fonte de energia: é integrado diretamente nas proteínas, fornecendo-lhes energia. O exemplo mais simples é a proteína miosina, graças à qual os músculos podem se contrair.

A glicose não pode ser convertida em ATP, apesar de conter uma grande quantidade de energia. Como extrair essa energia e direcioná-la na direção certa sem recorrer a meios bárbaros (pelos padrões celulares) como a queima? É necessário usar soluções alternativas, uma vez que as enzimas (catalisadores de proteínas) permitem que algumas reações ocorram de forma muito mais rápida e eficiente.

O primeiro passo é a conversão de uma molécula de glicose em duas moléculas de piruvato (ácido pirúvico) ou lactato (ácido lático). Nesse caso, uma pequena parte (cerca de 5%) da energia armazenada na molécula de glicose é liberada. O lactato é produzido por oxidação anaeróbica - isto é, na ausência de oxigênio. Existe também uma maneira de converter glicose sob condições anaeróbicas em duas moléculas de etanol e dióxido de carbono. Isso é chamado de fermentação e não consideraremos esse método.


...Assim como não vamos considerar em detalhes o mecanismo da glicólise em si, ou seja, a quebra da glicose em piruvato. Porque, para citar Leinger, "A conversão de glicose em piruvato é catalisada por dez enzimas agindo em sequência". Quem quiser pode abrir um livro de bioquímica e conhecer detalhadamente todas as etapas do processo - ele foi muito bem estudado.

Parece que o caminho do piruvato ao dióxido de carbono deve ser bastante simples. Mas descobriu-se que é realizado através de um processo de nove estágios, chamado ciclo do ácido tricarboxílico. Essa aparente contradição com o princípio da economia (não poderia ser mais simples?) deve-se em parte ao fato de o ciclo conectar várias vias metabólicas: as substâncias formadas no ciclo são precursoras de outras moléculas que não estão mais relacionadas à respiração ( por exemplo, aminoácidos), e quaisquer outros compostos a serem eliminados acabam no ciclo e são "queimados" para obter energia ou reciclados naqueles que estão em falta.

A primeira etapa tradicionalmente considerada em relação ao ciclo de Krebs é a descarboxilação oxidativa do piruvato a um resíduo acetil (Acetil-CoA). CoA, se alguém não sabe, é a coenzima A, que possui um grupo tiol em sua composição, no qual pode carregar um resíduo acetil.


A quebra de gorduras também leva a acetilos, que também entram no ciclo de Krebs. (Eles são sintetizados de forma semelhante - a partir de Acetil-CoA, o que explica o fato de que apenas ácidos com um número par de átomos de carbono estão quase sempre presentes nas gorduras).

Acetil-CoA condensa com oxaloacetato para dar citrato. Isso libera a coenzima A e uma molécula de água. Esta fase é irreversível.

O citrato é desidrogenado em cis-aconitato, o segundo ácido tricarboxílico do ciclo.

O cis-aconitato liga de volta uma molécula de água, transformando-se já em ácido isocítrico. Este e os estágios anteriores são reversíveis. (As enzimas catalisam reações diretas e inversas - você sabe, certo?)

O ácido isocítrico é descarboxilado (irreversivelmente) e simultaneamente oxidado para dar ácido cetoglutárico. Ao mesmo tempo, NAD+, recuperando-se, transforma-se em NADH.

O próximo passo é a descarboxilação oxidativa. Mas, neste caso, não se forma succinato, mas sim succinil-CoA, que é hidrolisado no estágio seguinte, direcionando a energia liberada para a síntese de ATP.

Isso produz outra molécula de NADH e uma molécula de FADH2 (uma coenzima diferente de NAD, que, no entanto, também pode ser oxidada e reduzida, armazenando e liberando energia).

Acontece que o oxaloacetato funciona como um catalisador - não se acumula e não é consumido no processo. Assim é - a concentração de oxaloacetato nas mitocôndrias é mantida bastante baixa. Mas como evitar o acúmulo de outros produtos, como coordenar todas as oito etapas do ciclo?

Para isso, como se viu, existem mecanismos especiais - uma espécie de feedback negativo. Assim que a concentração de um determinado produto se eleva acima da norma, isso bloqueia o trabalho da enzima responsável por sua síntese. E para reações reversíveis, é ainda mais simples: quando a concentração do produto é excedida, a reação simplesmente começa a ir na direção oposta.

E algumas pequenas observações

Todo mundo sabe que, para funcionar adequadamente, o corpo precisa de uma ingestão regular de uma série de nutrientes que são necessários para um metabolismo saudável e, consequentemente, o equilíbrio dos processos de produção e gasto de energia. O processo de produção de energia, como você sabe, ocorre nas mitocôndrias, que, graças a esse recurso, são chamadas de centros energéticos das células. E a sequência de reações químicas que permite obter energia para o trabalho de cada célula do corpo é chamada de ciclo de Krebs.

O ciclo de Krebs - milagres que acontecem nas mitocôndrias

A energia recebida através do ciclo de Krebs (também TCA - o ciclo dos ácidos tricarboxílicos) vai para as necessidades das células individuais, que por sua vez compõem vários tecidos e, consequentemente, órgãos e sistemas do nosso corpo. Como o corpo simplesmente não pode existir sem energia, as mitocôndrias estão constantemente trabalhando para fornecer continuamente às células a energia de que precisam.

Trifosfato de adenosina (ATP) - é este composto que é uma fonte universal de energia necessária para o fluxo de todos os processos bioquímicos em nosso corpo.

O TCA é a via metabólica central, como resultado da qual a oxidação dos metabólitos é completada:

• ácidos graxos;
• aminoácidos;
• monossacarídeos.

No processo de decaimento aeróbico, essas biomoléculas são quebradas em moléculas menores que são usadas para energia ou síntese de novas moléculas.

O ciclo do ácido tricarboxílico consiste em 8 etapas, i.e. reações:

1. Formação de ácido cítrico:

2. Formação de ácido isocítrico:

3. Desidrogenação e descarboxilação direta do ácido isocítrico.

4. Descarboxilação oxidativa do ácido α-cetoglutárico

5. Fosforilação do substrato

6. Desidrogenação do ácido succínico pela succinato desidrogenase

7. Formação de ácido málico pela enzima fumarase

8. Formação de oxalacetato

Assim, após a conclusão das reações que compõem o ciclo de Krebs:

• uma molécula de acetil-CoA (formada como resultado da quebra da glicose) é oxidada em duas moléculas de dióxido de carbono;
• três moléculas NAD são reduzidas a NADH;
• uma molécula de FAD é reduzida a FADH 2 ;
• uma molécula de GTP (equivalente a ATP) é produzida.

As moléculas de NADH e FADH 2 atuam como transportadoras de elétrons e são usadas para gerar ATP na próxima etapa do metabolismo da glicose, a fosforilação oxidativa.

Funções do ciclo de Krebs:

• catabólico (oxidação de resíduos acetil de moléculas de combustível em produtos finais do metabolismo);
• anabolizantes (substratos do ciclo de Krebs - a base para a síntese de moléculas, incluindo aminoácidos e glicose);
• integrativa (CTK - uma ligação entre reações anabólicas e catabólicas);
• doador de hidrogênio (entrega de 3 NADH.H + e 1 FADH 2 na cadeia respiratória da mitocôndria);
• energia.

A falta de elementos necessários para o curso normal do ciclo de Krebs pode levar a sérios problemas no corpo associados à falta de energia.

Devido à flexibilidade metabólica, o corpo é capaz de usar não apenas a glicose como fonte de energia, mas também as gorduras, cuja quebra também dá moléculas que formam o ácido pirúvico (envolvido no ciclo de Krebs). Assim, o fluxo adequado de CTC fornece energia e blocos de construção para a formação de novas moléculas.